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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA
INFORME DE INVESTIGACIÓN
Construcción de un instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando LabVIEW 8.0 y como sensores
una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión.
Lic. PEDRO PAREDES GONZALESMg. JOSÉ CASTILLO VENTURALic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY
NUEVO CHIMBOTE SEPTIEMBRE - 2012
INFORME DE INVESTIGACIÓN
Construcción de un instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando
LabVIEW 8.0 y como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión.
REALIDAD PROBLEMATICA
Debido a la falta de atención a ciertos laboratorios en nuestra universidad yante la necesidad de trabajar en los laboratorios con los estudiantes,especialmente en el laboratorio de instrumentación, se ha tomado el reto deinvestigar en la instrumentación virtual y a la vez entrar a competir enciencia y tecnología en este mundo globalizado, con la finalidad de crearprototipos para medir en tiempo real variables físicas de interés, para asíconsolidar la formación de los estudiantes.En tal sentido una de las variables de interés es medir la dirección de lafuerza del viento, es por esta razón que debemos investigar utilizando lainstrumentación virtual como medio para desarrollar el presente trabajo deinvestigación que tiene como propósito construir un instrumento virtualpara medir la dirección del viento, pero con la capacidad de adquirir,analizar, procesar y presentar la información en forma automática,utilizando para ello una veleta mecánica y un resistor variable comoelementos sensores, un puente de deflexión resistivo como elementoacondicionador de señales, una tarjeta de adquisición de datos y unlenguaje de programación gráfica.
Problema
¿ Es posible la construcción de un instrumento virtual para medir ladirección del viento, utilizando como sensores una veleta mecánica y unpotenciómetro de precisión, y LabVIEW 8.0?
Hipótesis.
Utilizando como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro deprecisión, y LabVIEW 8.0 se puede construir un instrumento virtualpara medir la dirección del viento.
OBJETIVOS
a) OBJETIVO GENERAL
Diseñar, Construir y evaluar un instrumento virtual para medir ladirección del viento utilizando como sensores una veletamecánica y un potenciómetro de precisión, y LabVIEW 8.0.
b) OBJETIVOS ESPECÍFICOS.• Construir una veleta con una señal de salida eléctrica analógica,
utilizando para ella un acondicionador de señales.• Hacer el panel frontal del instrumento virtual para medir la
dirección del viento utilizando LabVIEW 8.0.• Hacer el diagrama de bloque del instrumento virtual para medir la
dirección del viento utilizando LabVIEW 8.0.• Utilizar una tarjeta de adquisición de datos para la toma, análisis y
procesamiento de información de presión manométrica.• Elaborar una guía de práctica para la elaboración de un
instrumento virtual para medir la dirección del viento.
MARCO TEORICO
VELETA: Una veleta es un dispositivo giratorio que consta de una placa planavertical que gira libremente, un señalador que indica la dirección del viento y unacruz horizontal que indica los puntos cardinales (Rosa de los vientos). Se ubicageneralmente en lugares elevados y su diseño puede ser muy variado (figurasde animales, antropomorfas, etc.).
Figura Nº9: veleta mecánica construida acoplada a un
potenciómetro de precisión
Valor verdadero de la dirección del
viento
Elemento sensor Elemento acondicionador de señales
Elemento presentador de
datos
EntradaSalida
Valor medido de la
dirección del viento
Figura No. 2: Estructura general del sistema de medición de la dirección del viento
¿Cómo construir un instrumento virtual?
Para construir un instrumento virtual, sólo requerimos de un PC, unatarjeta de adquisición de datos con acondicionamiento de señales, elelemento sensor y el software apropiado.
¿Qué es LabVIEW?
LabVIEW de National Instrument, es una herramienta deprogramación gráfica, altamente productiva, para laconstrucción de sistemas de adquisición de datos,instrumentación y control. LabVIEW nos da la capacidad decrear rápidamente una interfaz de usuario que nos proporciona lainteractividad con el sistema.
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC son usados enun amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en el pisode una planta de manufactura. Típicamente, los dispositivos DAQ soninstrumentos de propósito general diseñados para medir señales de voltaje.El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generanseñales que debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ puedaadquirir con precisión la señal.
Figura Nº 4: El acondicionamiento de señales es un componente importante en un sistema de adquisición de datos
SOBRE EL DISEÑO DE LA PARTE ANALÓGICA DEL INSTRUMENTO VIRTUAL
Como acondicionador de señales se usa un puente de deflexión resistivo.
R2
A
BD
C
EThVS
R1
R4 R3
Figura No. 7: Circuito del sistema analógico para medir la dirección del viento
+
-
MATERIAL Y METODOS
CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICION PARA MEDIR LA DIRECCIÓN DEL VIENTO
Equipos y materiales
• Una veleta mecánica como sensor primario..
• Un potenciómetro de precisión usado como resistor variable 5 KΩ como sensor secundario.
• Un multimetro digital.
• Un papel circular graduado para lecturas 0º a 360º.
• Un resistor de 1000 Ω.
• Una fuente de Voltaje continúo de 0 – 30 V.
• Dos resistores variables de 50 KΩ
• Cables conectores eléctricos.
Figura Nº 17: Veleta mecánica acoplado al potenciómetro de precisión utilizado como elemento sensor en el instrumento virtual para medir la dirección del viento.
PROCEDIMIENTO
• Armar el equipo experimental como se muestra en la figura No. 18, donde en R1, se
ubica el sensor secundario (potenciómetro de precisión usado como resistor variable) en
el cual está conectado la veleta mecánica (sensor primario), en R2 se ubica el resistor de
1 KΩ , R3 es la resistencia que se fija a 49.4 KΩ, y R4 la resistencia variable de 50 KΩ.
• Seleccionar en el multimetro digital, el voltímetro con el rango apropiado y ubicarlo
en los puntos B y D.
• Encender la fuente de alimentación de voltaje continua (15 V).
• Si el voltímetro no esta registrando una lectura cero, hacer el ajuste a cero manipulando
la resistencia R4.
• Una vez lograda la lectura cero en el voltímetro, tomar mediciones de diferencia de
potencial en la salida del puente para diferentes valores de ángulos de giro, los cuales se
obtienen haciendo girar la veleta y esta al mismo tiempo hace girar al potenciómetro de
precisión, leyendo el ángulo en el papel circular.
• Con los datos obtenidos, graficar la diferencia de potencial (V) versus los ángulos de
giro (θ) y hallar la ecuación de calibración.
(b)
Figura Nº 18: (a) Circuito del equipo experimental. (b) Montaje del equipo experimental para la calibración del sistema de medición para medir la dirección del viento.
(a)
R3=49.4KΩ
VS=15V
R4
R1R2=1KΩ
D
A
B
C
V
CALIBRACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE LADIRECCIÓN DEL VIENTO
Equipos y materiales
• Una computadora con su impresora.
• Un software de programación gráfica LabVIEW 8.0
• Una veleta mecánica con la rosa de los vientos como sensor primario.
• Un potenciómetro de precisión usado como resistor variable de 5 KΩ como sensor secundario.
• Un elemento acondicionador de señales (puente resistivo de deflexión).
• Una tarjeta de adquisición de datos USB – 6008
• Una fuente de voltaje continúo de 0 a 30 V.
• Una brújula.
• Cables conectores.
PROCEDIMIENTO
• Utilice la figura Nº 18 para hacer el montaje del equipo experimental del instrumento
virtual (hardware), previamente sacando el voltímetro de los puntos D – B, para luego
colocar la tarjeta de adquisición de datos mostrado en la figura Nº 19 quedando el
equipo experimental tal como se muestra en la figura Nº 20.
• Construir el instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando el
lenguaje de programación gráfica LabVIEW 8.0, use el DAQ Assistant Express VI, para
la configuración de la tarjeta.
Figura Nº 19: Tarjeta de adquisición de datos USB - 6008
(a)
(b)
Figura Nº 20: (a) y (b) es el equipo experimental para la construcción del instrumento virtual para medir la dirección del viento.
RESULTADOSDE LA CALIBRACIÓN DE LA ETAPA SENSORA DEL SISTEMA DE MEDICIÓN
TABLA Nº 1: Mediciones ángulos de giro (θ) y resistencia (R) de la etapa sensora del sistema para medir dirección del viento.
N
Θ
( º)
R
(Ω)
1 0 10002 10 1059,33 20 1109,34 30 1165,65 40 12246 50 12837 60 13378 70 13939 80 144610 90 151211 100 156512 110 161813 120 167714 130 173115 140 1793
16150 1852
17160 1909
18170 1958
19180 2009
20190 2068
21200 2130
22210 2171
23220 2227
24230 2292
25240 2361
26250 2417
27260 2474
28270 2526
29280 2589
30290 2648
31300 2699
32310 2751
33320 2802
34330 2864
35340 2927
36350 2979
37360 3035
DE LA CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN PARA MEDIR LA DIRECCIÓN DEL VIENTO CON SALIDA ANALÓGICA
TABLA Nº 2: Mediciones de ángulos (θ) y diferencia de potencial (V) para la calibración del sistema medición para medir la dirección del viento con salida analógica.
N
Θ
( º)
V
(V)
1 0 02 10 0,1943 20 0,3574 30 0,5235 40 0,6936 50 0,8727 60 1,0438 70 1,1969 80 1,351
10 90 1,50611 100 1,63812 110 1,76513 120 1,87914 130 2,0115 140 2,11
16150 2,23
17160 2,33
18170 2,43
19180 2,52
20190 2,62
21200 2,71
22210 2,79
23220 2,86
24230 2,94
25240 3,03
26250 3,1
27260 3,17
28270 3,23
29280 3,3
30290 3,38
31300 3,44
32310 3,5
33320 3,56
34330 3,62
35340 3,68
36350 3,74
37360 3,79
DE LA CALIBRACIÓN DEL PUENTE DE DEFLEXIÓN RESISTIVO
TABLA Nº 3: Mediciones de la resistencia de entrada al puente (R) y diferencia de potencial en la salida del puente (V)
N
R
(Ω)
V
(V)
1 1000 02 1059,3 0,1943 1109,3 0,3574 1165,6 0,5235 1224 0,6936 1283 0,8727 1337 1,0438 1393 1,1969 1446 1,351
10 1512 1,50611 1565 1,63812 1618 1,76513 1677 1,87914 1731 2,0115 1793 2,11
161852 2,23
171909 2,33
181958 2,43
192009 2,52
202068 2,62
212130 2,71
222171 2,79
232227 2,86
242292 2,94
252361 3,03
262417 3,1
272474 3,17
282526 3,23
292589 3,3
302648 3,38
312699 3,44
322751 3,5
332802 3,56
342864 3,62
352927 3,68
362979 3,74
373035 3,79
DE LA CALIBRACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE LA DIRECCIÓN DEL VIENTO
TABLA Nº 4 : Mediciones de diferencia de potencial (V) y ángulos (θ)para la calibración del instrumento virtual para medir la dirección del viento.
N
V
(V)
Θ
(º)
1 -0,00199777 02 0,158073 103 0,381368 204 0,492943 305 0,703336 406 0,87811 507 1,02036 608 1,15982 709 1,2834 8010 1,41765 9011 1,554 10012 1,64773 11013 1,76952 12014 1,84914 13015 1,96517 140
162,0506 150
172,14192 160
182,23446 170
192,33477 180
202,39238 190
212,4559 200
222,53961 210
232,64154 220
242,72671 230
252,7727 240
262,86142 250
272,92173 260
282,95888 270
293,05048 280
303,10865 290
313,185 300
323,19892 310
333,2696 320
343,30432 330
353,36709 340
363,44721 350
373,47965 360
GUÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA ADQUIRIR, ANALIZAR Y PRESENTAR
DIRECCIONES DEL VIENTO
Figura Nº25: Diseño del circuito del instrumento virtual para medir la dirección del viento.
R3=49.4KΩ
VS=15V
R4=49.3 kΩ
R1
R2=1KΩ
D
A
B
C
V
DE LA CONSTRUCCIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA ADQUIRIR, ANALIZAR Y PRESENTAR DATOS DE LA DIRECCIÓN
DEL VIENTO USANDO COMO SENSORES LA VELETA Y EL POTENCIOMETRO
Figura Nº 27: Diagrama de bloques del instrumento virtual para la toma de datos de dirección del viento.
( )1715.012.52114.3299.3 23 LL+++= VVVθ
Figura Nº 28: Panel frontal del instrumento virtual para la toma de datos de dirección del viento.
Ejecutando el programa:
Figura Nº 29: Instrumento virtual registrando datos de dirección del viento para un tiempo aproximado de 30 minutos.
Figura Nº 30: Instrumento virtual registrando datos cerca de 1 hora.
Figura Nº 31: Instrumento virtual registrando datos por un tiempo de más de 2 horas.
Figura Nº 32: Instrumento virtual registrando datos cerca de 3.5 horas.
Figura Nº 33: Instrumento virtual registrando datos para un tiempo de 4 horas.
CONCLUSIONES
Luego de evaluar nuestro instrumento virtual para medir la dirección del viento se
concluye:
• La parte de la señal analógica del instrumento virtual esta conformada por una veleta
mecánica acoplada a un potenciómetro de precisión utilizado como resistor variable
que viene ser la etapa sensora y la cual esta unida a un puente de deflexión resistivo
que es el acondicionador de señales.
• El sistema analógico del instrumento virtual en su conjunto no es lineal.
• El instrumento virtual para la medición de la dirección del viento tiene como
elementos sensores una veleta mecánica (sensor primario) y un potenciómetro de
precisión (sensor secundario), como acondicionador de señales tiene un puente de
deflexión resistivo, una tarjeta de adquisición USB – 6008 y una microcomputadora
como elementos procesadores de señales y como presentador de datos un monitor de
PC, todo esto constituye el hardware del instrumento virtual, el software lo constituye
el programa construido con el lenguaje de programación grafica LabVIEW 8.0 (panel
frontal y diagrama de bloques).
• No todos los elementos que constituyen el hardware del instrumento virtual para medir
la dirección del viento tienen respuestas lineales con respecto a su variable de entrada,
solamente la etapa sensora es lineal.
• El instrumento virtual construido se ha calibrado para medir direcciones del viento
desde 0º hasta 360º.
• El diseño y construcción del hardware del instrumento virtual para medir direcciones
del viento, obedece al circuito de la figura Nº 25 y cuyo montaje experimental se
representa en la figura Nº 20 (a) y (b).
• Se elaboró una guía usando la programación grafica LabVIEW 8.0, para la construcción
del instrumento virtual para medir la dirección del viento, la cual permite obtener el
diagrama de bloques y el panel frontal del instrumento virtual, tal como se muestra en
las figuras Nº 27 y Nº 28 respectivamente.
• Se calibró el instrumento virtual para medir direcciones del viento utilizando como
patrón de laboratorio un papel circular de 0º a 360º con una incertidumbre experimental
de ± 1º.
RECOMENDACIONES
• Para la calibración del instrumento virtual construido en el laboratorio, se tiene que
tener en cuenta que los cables que conectan la etapa sensora al puente de deflexión
resistivo debe tener la longitud necesaria de trabajo en donde se va ubicar la veleta.
• El potenciómetro de precisión usado gira 5 vueltas, en este trabajo de investigación
solamente se ha usado la primera vuelta, colocándole un tope al termino de la
primera vuelta, se sugiere ubicar el 0º a 2.5 vueltas y elaborar un programa en
LabVIEW tal que al girar a la izquierda o la derecha del 0º una o más vueltas el
instrumento virtual siempre señale la misma dirección en cada vuelta.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Bentley B, John Sistemas de medición. Principios y aplicaciones. Compañía EditorialContinental, S.A. México 1993
• Bolton W. Mediciones y Pruebas Eléctricas y Electrónicas. Edición 1996. AlfaomegaGrupo Editor, S. A.
• Cooper, William D Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición.Prentice Hall. México 1994.
• Creus S, Antonio Instrumentación industrial. Editorial Marcombo, España. 1985.• Lajara J., y Pelegri J. LabVIEW 8.20 Entorno gráfico de programación. Edición
2007. Alfaomega Grupo Editor, S. A.• Lazaro Antonio M. Instrumentacion Virtual, Adquisición, procesado y análisis de
señales. Edición 2002. Ediciones UPC S. L. Universidad Politécnica de Catalunya,Barcelona, España.
• National Iinstruments Getting Started with LabVIEW. Evaluation Version 8.0. April 2006 Edition.
• Soisson, Harold Instrumentación industrial. Editorial LIMUSA, México 1992.• Página Web www.ni.com/latam• Página Web www.ni.com• Página Web www.ni.com/tutorials.